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外墙保温技术及节能材料论文
外墙保温技术及节能材料
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外墙保温技术及节能材料
摘要
为了实现我国可持续发展战略，作为建筑节能的重要方法与科学手段一一外墙保温技术和节能材料是节能减排的重要手段。
本文主要研究外墙保温技术与节能材料的选择的问题。
本文着重介绍了目前墙体保温的现状，分析了各种保温系统的原理、构造及优缺点，并通过专业软件对多种保温系统进行分析比较。
首先，介绍外墙保温的三种主要的形式并与其他保温形式进行对比。
然后分别讨论了平屋顶与坡屋顶的保温技术。
最后通过有限无分析的实验定量比较了不同保温系统及不同保温材料的性能。
关键词：
外墙保温；保温材料；屋顶保温；有限元分析；比较分析
摘要1
引言1
1研究背景与意义1
2国内外研究现状1
2.1国内发展现状1
2.2国外发展现状2
第一章外墙保温的主要形式与相关技术4
1.1外墙保温三种主要形式4
1.1.1外墙内的保温4
1.1.2外墙夹心保温4
1.1.3外墙外保温5
1.2外墙外保温与外墙其它保温形式的比较5
第二章屋顶保温技术7
2.1平屋顶的保温技术7
2.1.1实体材料层平屋顶的隔热7
2.1.2平屋顶保温的改进方法7
2.2坡屋顶的保温技术8
2.2.1坡屋顶的优点8
2.2.2坡屋顶的坡度的影响8
2.2.3坡屋顶保温层的做法9
第三章节能保温材料的有限元分析10
3.1同种保温系统不同种保温材料
3.2同种保温材料不同保温系统的比较
10
..12
3.3保温砂浆的保温效果分析14
结论14
参考文献16
引言
1研究背景与意义
建筑节能是执行国家环境保护和节约能源政策的主要内容，是贯彻国民经济可持续发展的重要组成部分。
我国开始抓建筑节能是以1986年颁
布《地方地区居住建筑节能设计标准》为标志启动。
随后国家建设部又相继出台了一系列的节能政策、法规、标准和强制性条文，经过了近20年
的努力，建筑节能工作取得了较大成绩，但我国目前的建筑节能水平，还远低于发达国家，我国单位建筑面积能耗是气候相近的发达国家的2倍甚
至3倍以上。
所以建筑节能还是21世纪我国建筑业的一个重要的研究课题。
在建筑中，外围护结构的热损耗较大，其中墙体又占了很大份额。
所以建筑墙体改革与墙体节能技术的发展是建筑节能技术的一个最重要的环节，发展外墙保温技术及节能材料则是建筑节能的主要实现方式。
2国内外研究现状
2.1国内发展现状
建筑保温隔热的理念由来已久，成为人类文明进步的一个重要标志。
建筑物的保温隔热分为自身形成和外部形成两种类型，而外部形成的保温隔热又分成两大类型即有机质类与无机质类。
自身形成的隔热保温较为简单，基本上是从古至今沿袭下来的做法，即增加墙体厚度，如我国最冷的北方外墙墙壁厚度达620ram。
随着墙用材料的改进，又由单一的粘土砖变成粘土空心砖、粉煤灰砌块等，这些变化在一定程度上提高了墙体保温效果，减轻了整体自重，但仍然没有从根本上使其得到提高，而且大量使用粘土砖使我国粘土资源严重损失。
混凝土墙砖等材料虽有替代粘土砖的优势，但由于其导热系数较高，保温隔热效果不够理想，因此发展比较缓慢。
随着节约土地资源、节能和保护环境三大基本国靠的贯彻，国家行业标准JGJI34—2001,《夏热冬冷地区居住建筑节能没计标准》（以下简称《标准》）的颁布和实施对人均可耕地面积较少的冬冷夏热地区，尤其是中高层住宅建筑中，混凝土墙的采用将会比较普遍。
但是混凝土墙存在一个最大的弱点：
保温隔热性差。
其热工性能不但不能符合国家标准GB50176_93《民用建筑热工设计规范》（简称《规范》）的要求，更不能满足《标准》提出的节能规定，所以必须通过与高效保温材料复合，使其达到《标准》
规定的指标，才能运用于节能住宅建筑中。
在这种情况下，保温绝热材料迅速发展起来，并与墙体形成复合型保温墙体。
保温材料按材质可分为有机类和无机类；从应用结构上可分为单体型与复合型。
单体型即以一种材料加粘合剂粘合成型，如水泥珍珠岩屋面砖、岩棉铁丝网板等，复合型即为两种以上材料粘合而成（这种复合型可以是有机质的，也可以是无机质的，还可以是有机质与无机质的共同组合体），如水泥与塑料颗粒的结合，水泥、珍珠岩和某些纤维材料的结合，粉刷石膏、珍珠岩和某些纤维材料的结合等等，都可以成为一种复合式的墙体保温材料。
有机类的保温材料耐久性好，无机类的保温吸声性能好，而且防火性能好，一般均可达NA
级，强度比较高，一般都在0.4MPs以上。
在建筑工程中，广泛地使用保温隔热材料具有很大的经济意义：
它能减少围护结构的厚度和结构的重量，因而减少材料用量，降低运输费用和建筑造价。
此外，对于采暖的房间，采用保温材料后，由于热量损失的减少，可节省燃料的消耗。
因此在我国，保温材料的发展具有势不可挡的趋势。
2.2国外发展现状
首先看欧美的建筑节能，目前在欧美国家广泛应用的外墙外保温系统主要为外贴保温板薄抹灰方式，有二种保温材料：
阻燃型的膨胀聚苯板及不燃型的岩棉板，均以涂料为外饰层。
外墙外保温系统在欧洲的应用，最初是为了弥补墙体裂缝。
通过实际应用后发现，当把这种泡沫塑料板粘贴到建筑墙面以后，的确能够有效地遮蔽墙体出现的裂缝等问题，同时又发现，这种复合的墙体材料具有良好的保温隔热性能，节约了能耗。
同时，重质的墙体外侧复合轻质的保温系统又是最合理的墙体结构组合方式。
外保温不但解决了保温问题，又减薄了对力学要求来说过于富足的墙体厚度，减少了土建成本；而这种复合的墙体结构在满足力学要求的同时还在隔音、防火防潮、热舒适性等各方面都具有最佳性能。
目前，欧洲和美国对外墙外保温已有严格的立法工作，其中包括要求对外墙外保温系统的强制认证标准，以及对于系统中相关组成材料的标准等⑺。
由于欧美国家有着相应健全的标准、严格的立法，对于外墙外保温系统的耐久性，一般都可以保证有25年的使用年限。
事实上，这种系统在上述地区的实际应用历史已大大超过25年。
2000年欧洲技术许可审批组织EOTA发布了名称为《带抹灰层的墙体外保温复合体系技术许可》（ETAG004）的标准，这个标准是欧洲外墙外保温体系几十年来成功实践的技术总结和规范必。
目前，发达国家在浆体保温材料研制开发方面，是以轻质多功能复合浆体保温材料为主。
此类浆体保温材料的各项性能较传统浆体保温材料明显提高，如具有较低的导热系数和良好的使用安全性及耐久性等⑹。
同时，这类复合浆体保温材料又具有优异的功能性，如无氟里昂阻燃型聚氨酯泡沫复合浆体保温材料、超轻质全憎水硅酸钙浆体保温材料等，可以满足不同使用条件的要求［9］。
此外，国外非常重视保温材料工业的环保问题，积极发展“绿色”保温材料制品，从原材料准备（开采或运输）、产品生产及使用，及日后的处理问题，都要求最大限度地节约资源和减少对环境的危害［12］。
第一章外墙保温的主要形式与相关技术
1.1外墙保温三种主要形式
当今世界，由于对节约能源与保护环境的要求不断提高，建筑围护结构的保温措施也在同益加强。
房屋外墙体所占体积量最大，冬季通过外墙散发的热量约为建筑物总散热量的20%左右，夏季通过外墙壁吸收的热量约为建筑物总吸热量的30%。
因此必须抓住能量耗散的主要部位一一外墙体。
在提高建筑节能技术水平的同时，墙体采用保温隔热性能良好的节能材料，二者紧密结合，综合推进。
外墙体保温经历了外墙内保温、夹心保温和外墙外保温三个发展历程。
其中又以外墙外保温的发展最为迅速，其保温效果也是越来越好。
1.1.1外墙内的保温
外墙内保温构造特点与单一材料墙相比，构造组合合理，有较高的热阻，节约采暖能耗，能充分发挥保温材料的作用。
在满足承重要求的前提下外墙体可适当减荷，保温材料与砖墙或混凝土之间可设或不设空气层，其做法是在外墙内侧增加木质或轻钢龙骨内充填保温材料，表面覆以石膏板后加涂料饰面。
但外墙内保温存在如下的缺点：
（1）外墙平均传热系数高，保温隔热效果差；
（2）冷桥保温处理困难，易出现结露现象；
（3）占用室内使用面积，不利于室内装修；
⑷不利于对旧建筑的节能改造；
（5）保温层易出现裂缝。
1.1.2外墙夹心保温
外墙夹心是指在混凝土预制外墙板或外墙砌体中间设置或填充保温隔热材料形成的节能措施，也可以在两块金属板材或非金属板材之间（钢丝网架水泥央芯板、金属面央芯板、非金属面夹芯板等）填保温隔热材料（具
体的结构参见图2-2）。
其优点是施工方便，对建筑外墙垂直度要求不高，施工进度快但夹芯保温存在如下的缺点：
（1）墙体太厚，占用面积；
（2）冷桥大，存在窗口及混凝土挑檐板的热损失，拉结钢筋孔洞处
也存在冷桥；
（3）外墙砌体的抗震性能不好；
（4）虽然拉结件经过防腐处理，但冬季拉结件上会有冷凝水及结冰现象，拉结件易锈蚀，外墙砌体不安全；
（5）根据《砌体结构设计规范》的规定，夹心苯板的厚度不得大于Imm因此在北方大多数地区保温复合墙体的厚度不足以满足节能65%的设计标准要求。
1.1.3外墙外保温
外墙外保温是将保温隔热体系置于外墙外侧，以赋予建筑物良好保温隔热性能的建筑节能措施。
相比较而言，采用外墙外保温的效果更加良好，具体如下：
（1）外墙外保温可以减少热桥的影响。
米用外墙内保温，保温材料越厚，热桥现象就越明显。
而热桥不仅仅会造成额外的热量流失，还会在外墙面产生表面潮湿、结露。
而外墙外保温则减少此类热量的流失，比内保温的热量损失减少约1/50。
（2）保护主体结构，维持室温稳定。
在使用外保温后，墙体温度、湿度变化缓慢、热应力减小，从而减少外墙承重结构产生裂缝、变形和破损的程度，提高使用寿命。
同时，由于内部的实体墙体热容量大，减缓热量的变化，使得室内温度变化缓慢，居住者有良好的舒适度。
（3）增加建筑使用面积，避免装修对保温层的破坏。
1.2外墙外保温与外墙其它保温形式的比较
无论采用的是外墙外保温、内保温还是夹心保温，都能够在炎热或寒冷天气达到保温隔热的效果，使室内气候环境得到改善。
但相比较而言，外墙外保温有着绝对的优势。
外墙外保温的优越性是十分明显的：
它能避免建筑热桥，避免墙面冬季结露；可以保护主体结构，减少温度应力，增加结构寿命；比内保温增加了建筑使用面积；在对已建房屋节能改造时，不致干扰原有住户生活；使建筑物更为美观等等一系列优点。
诚然，由于外墙外保温系统的施工较为复杂，外部饰面需要经过认真处理以确保其稳定性和耐久性，所需的造价可能比其他保温系统的高。
但从长远看，由于其节能效果显著，综合经
济效益将会大大提高，而且随着新型保温材料的研究开发及材料生产的规模化，以及材料和人工费用的降低，其造价也一定会大幅下降。
与此同时,由于我国居住建筑以砖混结构为主，结构厚重，热容量大，在采用外墙外保温的条件下，建筑热稳定性良好，因而房屋冬暖夏凉，居住舒适，有利于改善人民生活，因而越来越受到广大居民和开发商的青睐。
第二章屋顶保温技术
2.1平屋顶的保温技术
现行的住宅小区大多做成平屋顶，因为平屋顶设计简单，浇筑方便，可以节省材料。
现行的屋顶一般采用实体材料平屋顶、通风问层平屋顶和利用自然能的平屋顶的做法。
平屋顶的主要特点是：
排水坡度一般小于10%的屋顶。
平屋顶坡度小,它的屋面可作为各种活动的场地，如晒台、屋顶花园、日光浴场、体育场等。
平屋顶最早出现于干旱少雨的地区，如中国的西北、华北地区的民居建筑。
现在小型民用建筑的石灰炉渣屋面和青灰屋面是早期平屋顶结构的延续和发展。
平屋顶构造简单，适用于各种平面形式的建筑，尤其是平面形式不规则的建筑。
随着钢筋混凝土结构、可靠的防水材料和高效率的排水系统的发展，20世纪中叶以来，平屋顶已在全世界不同气候地区和各种类型的建筑上广泛使用。
平屋顶由承重结构、屋面和功能层组成。
各层可分层设置，也可合成一体。
2.1.1实体材料层平屋顶的隔热
实体材料平屋顶的保温隔热材料一般采用I：
10水泥蛭石、1:
1:
8水泥石扶沪渣、1:
10水泥膨胀珍珠岩以及加气混凝土等。
由于采用的隔热材料不同，这些平屋顶各有优点。
像采用水泥石灰炉渣平屋顶，材料来源广泛：
水泥膨胀珍珠岩及加气混凝土平屋顶保温性能良好；而水泥蛭石平屋顶质轻。
2.1.2平屋顶保温的改进方法
虽然平屋顶有上述的诸多优点，但是出于设计、施工、材料等方面的原因而造成的诸多弊病，具体为：
（1）渗水、漏水问题难以彻底解决，保温隔热差，且有视觉污染；
（2）屋面防水材料大多以沥青为主的材料加以改进，经夏日暴晒挥发有毒气体污染环境；
（3）由于雨水的旁漏冻胀造成女儿墙和屋面板及顶层墙体开裂，严重影响建筑物的使用寿命和住户的生命财产安全；
（4）由于上述缺陷.既使顶层商品房打折也不易销售，影响开发单位的经济效益；
为了避免上述问题，使排水顺畅，解决屋顶防水问题，改善顶层的热工条件，避免夏天热辐射之苦，加快施工速度等，许多城市已经开始采用坡屋顶。
坡屋顶在我国古代就被广泛使用。
国外的相关资料表明，国外对坡屋顶及其组件已有一定研究。
采用坡屋顶对解决排水、漏水等平屋顶的缺陷具有较好的效果，具体内容在下一节中会详细介绍。
2.2坡屋顶的保温技术
221坡屋顶的优点
国内当前的建筑除了平屋顶以外，还有一类屋顶的架构为坡屋顶，在我国西南地区尤其广泛。
坡屋顶在造型上美观；改善了顶层的热工条件。
避免了夏天热辐射之苦；尤其采用彩色压型钢板，提高了工业化程度，加快了施工速度等，住宅坡屋顶具体优点如下；
（1）住宅坡屋顶以批到每户建筑与城市形象的作用，能够创造优
美.舒适的城市最佳形象。
（2）住宅坡屋顶下的阁楼增加住宅顶层可使用空间，也较普通平屋顶能更有散的保温隔热性能.而且能减少屋面渗漏和顶层墙体丌裂的问题，增加带动了住宅销售.同时并可使顶层构成空间丰富的复式单元能够满足了用户的多向选择需求。
对多层住宅而言，屋顶在整个外围护结构中，所占比例较小，但通过它的热量损失却较大，约为8%左右。
因此，对屋顶的保温和隔热必须给予足够重。
2.2.2坡屋顶的坡度的影响
以平屋顶传热系数为基准，坡度角100时传热系数仅增加1%,坡度角300时，增加了15.4%，坡度角45度，增大41.4%,即随坡度角增加，传热系数增大对保温越不利。
但也并非坡度越小越好，考虑到夏季隔热，坡度较大会有效降低室内温度。
因为夏季在周期谐波热作用下，屋顶为不稳定传热，温度波在穿过空气层从室外传向室内时会产生衰减和延迟，所以，空气层厚度即屋顶坡度对夏季隔热是有利的。
从经济角度讲，坡度大用料多，造价也将提高，施工也越复杂。
因此，综合考虑功能要求、
施工、经各方面因素，坡屋顶若不加层，通常取300左右较为合理|。
根据相关的研究，虽然随着坡角增大，屋顶的传热系数也会有相应的增加，但坡屋顶中的一层空气层会阻止温度波的迅速蔓延。
综合考虑，当屋顶坡度角为30度时，会收到较好的保温效果。
|
223坡屋顶保温层的做法
坡屋顶做法有保温层设在屋顶外保温和内保温两种做法，目前的做法是直接把保温板粘贴在屋顶板的上侧，放在防水层之下即采用保温的方法屋顶保温主要采用保温材料作为保温层，增大屋顶热阻，保温层位置不同,效果也不同。
从节能效果和经济方面分析评价，选用聚苯乙烯泡沫塑料板、水泥聚苯板、岩棉等轻质高效的保温隔热材料效果较好。
从保证顶层房间的使用角度讲，将保温材料置于顶棚或屋顶处，作用近乎相同，但对于阁楼温度影响却很大。
在无通风换气情况下，若在顶棚处保温，阁楼内的气温接近室外温度；而若在屋顶处保温，阁楼内的气温接近于室内空气温度。
考虑到对阁楼空间的利用，最好采用外保温。
事实上屋顶保温不仅有利于减少冬季热损失，在夏季也可适当地降低阁楼内的温度。
屋面的换气口还可将室内水蒸气尽可能地排放出去，避免大量结露，一般换气面积最好能占顶棚总面积的1/300以上。
通过实地测试表明，使用坡屋顶，冬季顶层室内温度比改造前高三至四摄氏度，夏季低四至五摄氏度，居室节能效果明显，居民的居住质量得到明显改善。
为增加屋顶的保温作用可在屋顶中加一层保温层。
保温层可采用保温板作为保温材料。
保温板的保温效果较之保温砂浆的效果更好，且在屋顶上采用保温板，施工速度很快，施工工艺很容易保证。
第三章节能保温材料的有限元分析
为了比较各种保温材料及保温系统的保温性能，采用ANSYST限元计
算软件，根据不同的保温情况，我们分别对下列三种情况进行墙体保温分析：
（1）同种保温系统不同种保温材料；
（2）同种保温材料不同保温系统的比较；
（3）保温浆料的保温效果的比较。
几种常见的不同保温系统各层的导热系数及厚度如表3-1所示：
表3-1几种常见的保温系统物理性能及尺寸
保温系统
导热系数/（W/m*k）
各层的厚度/m
EPS板薄抹灰外墙外保温系统
粘土多孔空心砖墙体：
0•56
0.24
保温板：
0.041
0.03
抗裂砂浆：
0.932
0.005
PS板现浇混凝土外墙外保温
土多孔空心砖墙体：
0.56
0.24
系统
保温板0.041
0.055
抗裂砂浆：
0.932
0.005
XPS板薄抹灰外墙外保温系统
粘土多孔空心砖墙体：
0.56
0.24
保温板：
0.03
0.045
抗裂砂浆
0.005
EPS钢丝网架板现浇混凝土外
粘土多孔空心砖墙体：
0.56
0.24
墙外保温系统
单面钢丝网架板0.041
0.05
水泥砂浆厚抹面层：
0.932
0.025
3.1有限兀分析简介
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条
件），从而得到问题的解。
这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。
由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。
有限
元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。
有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。
经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。
3.2同种保温系统不同种保温材料
在室外温度和室内起始温度相同且保温层厚度相同的情况下，采用EPS
板薄抹灰外墙外保温系统后室内温度将变成27.62摄氏度，采用XPS板薄抹灰外墙外保温系统后室内温度将变成27.60摄氏度。
所以比较而言，XPS板薄抹灰外墙外保温系统比EPS板薄抹灰外墙外保温系统稍好些，但二者相差很小。
同时随保温板厚度不同还稍有变化。
卡诬槐耳度（址）
图3-1EPS板薄抹灰外墙外保温系统&XPS板薄抹灰外保温系统温度变化曲线
3.3同种保温材料不同保温系统的比较
选取空气对流系数为12.5（m2•k），室内起始平均温度为26摄氏度,室外平均温度为40摄氏度。
以EPS板作为保温材料分别采用四种不同保温系统进行ANSYST限元分析，结果如下：
在室外温度和室内起始温度相同的情况下，且保温层厚度相同，采用
EPS板薄抹灰外墙外保温系统后，室内温度将变成27.62摄氏度，采用
EPS板现浇混凝土外墙外保温系统后，室内温度将变成27.60摄氏度，采
用EPS钢丝网架板现浇混凝土外墙外保温系统后，室内温度将变成27.645摄氏度，采用过机械固定EPS钢丝网架板外墙外保温系统后，室内温度将变成27.676摄氏度。
所以，比较而言，EPS板现浇混凝土外墙外保温系统的保温效果稍好些。
同时当保温板厚度较小时，EPS钢丝网架板现浇混凝土外墙外保温系统和机械固定EPS钢丝网架板外墙外保温系统的保温效果均比EPS板薄抹灰外墙外保温系统的保温效果相差更大。
4E巧桩禅抄灰外壇外评
板现庞无网保48磊统
即£现侥有虧併毡系妊
已J「昭固定保温系绽
图3-2同种保温材料不同保温系统的温度变化曲线
3.4保温砂浆的保温效果分析
设空气对流系数为12.5（mhk），室内起始温度为26摄氏度，室外平均温度为40摄氏度，则根据ANSYST限元分析所得胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统的温度场分布云图和膨胀珍珠岩为保温层的外墙外保温系统的温度场分布云图，发现其实保温砂浆与EPS板薄抹灰系统的保温效果相差很小。
因此保温砂浆还是拥有很多优点，不仅施工工艺简单，整体性好，工作效率高，造价低，而且其保温效果也是相当的不错。
虽然珍珠岩的保温效果要比胶粉聚苯颗粒保温系统的保温效果好些，但两者相差的温度很小，由于胶粉聚苯颗粒较为便宜，综合经济效益，采用胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统更加经济合理。
结论
根据本文一至三章的论述，最终得出如下结论：
（1）如果建筑物要保温节能，降低建筑物能耗量，那么必须降低墙体传热系数；而降低墙体传热系数最有效的方法是采用轻质、隔热性能良好的保温材料。
（2）外墙体保温有三种主要形式，具体包括外墙内保温、外墙夹心
保温及外墙外保温，相比较而言，采用外墙外保温的效果更加良好。
'
（3）在相同环境条件下，XPS板保温性能优于EPS板的保温性能。
（4）对于EPS板保温系统，EPS板薄抹灰保温系统和EPS无网保温系统的保温效果明显优于有网系统和机械固定系统，而且薄抹灰系统的保温板厚度最小。
也就是说，EPS板薄抹灰保温系统不但保温效果好，而且可以减少墙体总厚度，降低施工成本。
（5）对于同一种保温系统，增加保温材料的厚度，在一定程度上可以提高保温效果，但是效果不是很明显，而且在均存在保温板的情况下，保温效果可能还不如薄一点的。
再综合经济效益，增加保温材料的厚度显然不是明智的做法。
（6）保温砂浆的保温效果高于EPS板薄抹灰保温系统的保温效果。
（7）采用保温系统的住房，在同样舒适条件的前提下，节能效果明显。
参考文献
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